[发明专利]一种基于单幅显微图像重建的加工表面质量在线检测方法

权利要求书

1.一种基于单幅显微图像重建的加工表面质量在线检测方法，其特征在于，具体按照如下步骤实施：

步骤1，获取显微图像：利用显微镜对被测加工表面进行放大，通过CCD相机获取加工表面形貌的灰度图像；

步骤2，图像预处理：对步骤1中获取的灰度图像进行消噪和平滑处理，提取图像的灰度值；

步骤3，根据加工表面形貌的对数正态分布光照模型构建加工表面形貌的解析梯度模型，通过步骤2中提取图像的灰度值计算图像中x向、y向的灰度梯度值，根据图像的灰度梯度值，利用加工表面形貌的解析梯度模型计算形貌梯度值；

步骤4，通过形貌凹凸识别和梯度正负修正法对步骤3中计算的形貌梯度值进行处理，获取表面形貌梯度的修正值，利用三点辛普生求积公式计算加工表面形貌的高度，以计算的高度作为加工表面形貌的高度实现加工表面形貌的重建；

步骤5，提取步骤4重建的加工表面形貌，提取最大高度参数R_z、均方根高度参数R_q、轮廓单元的平均宽度参数R_sm和偏斜度参数R_sk参数，将提取的参数和加工要求对应的参数比较，进行加工表面质量评价。

2.根据权利要求1所述的一种基于单幅显微图像重建的加工表面质量在线检测方法，其特征在于，所述步骤1中利用显微镜对被测加工表面进行放大的具体过程为：被测加工表面位于显微镜物镜的焦平面上，点光源发出的光束经过聚光镜扩束准直成为平行光，分光镜使平行光的入射方向与光轴方向平行，光束通过物镜照射到加工表面上，加工表面的反射光透过物镜、分光镜和成像透镜到达光阑附近，光阑使物镜焦平面上反射光进入图像传感器，形成显微图像。

3.根据权利要求1所述的一种基于单幅显微图像重建的加工表面质量在线检测方法，其特征在于，所述步骤2中采用小波包变换方法对获取的灰度图像进行消噪和平滑处理。

4.根据权利要求1所述的一种基于单幅显微图像重建的加工表面质量在线检测方法，其特征在于，所述步骤3中的根据加工表面形貌的对数正态分布光照模型构建加工表面形貌的解析梯度模型具体为：

所述加工表面形貌的对数正态分布光照模型I如下公式(1)所示，

式中，K_d为漫反射比例系数；K_s为镜面反射比例系数；I_i为光源的入射光亮度；I为观察方向的有效光亮度；θ为表面形貌的微平面法向偏角，a、b为待定参数，与表面微观表面的几何特征有关；

其中，

式中，p为表面形貌高度在x方向的梯度值；q为表面形貌高度在y方向的梯度值；

切削加工表面微观形貌的反射图方程表示为：

cosθ≈1，则对式(3)进行化简，得：

即：

对等式两边同时取自然对数，则：

令：

根据对数运算法则，式(6)整理为：

因此：

则：

假定表面梯度值与其图像灰度梯度值成比例，即梯度一致性约束，对应表达式为：

式中，E_x表示图像灰度沿x方向的灰度梯度，E_y表示图像灰度沿y方向的灰度梯度；

将式(11)代入式(10)中，则：

由式(12)计算重建形貌的梯度比例转换系数k(x,y)，即：

将式(13)代入式(11)，则切削加工表面重建形貌梯度的解析模型为：

5.根据权利要求1所述的一种基于单幅显微图像重建的加工表面质量在线检测方法，其特征在于，所述步骤3中依据图像像素点的灰度值，采用求导方法计算x向和y向的图像灰度梯度值。

6.根据权利要求4所述的一种基于单幅显微图像重建的加工表面质量在线检测方法，其特征在于，步骤3中根据图像的灰度梯度值，利用加工表面形貌的解析梯度模型的公式(14)计算形貌梯度值。

7.根据权利要求1所述的一种基于单幅显微图像重建的加工表面质量在线检测方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

步骤4.1，提取经步骤2灰度处理的加工表面显微图像中间行的灰度变化曲线，识别各个灰度极大值的位置，以各个灰度极大值为中心，在原始图像中提取相同尺寸的子图像，计算各子图像对应的信息熵，并计算所有信息熵的平均熵，将信息熵低于平均熵的子图像区域定义为波谷；

步骤4.2，以图像中微观形貌各个波谷的位置为依据，定义波谷中心两侧灰度极小值之间的像素点为待定区域，将待定区域的形貌解析梯度修正为负值，保持其余区域的解析梯度值不变；

步骤4.3，假设图像上参考点A₀在对应表面形貌坐标系的坐标为(x₀，y₀，z₀)，则图像任一点在表面坐标系的坐标(x_i，y_j)，i＝1,2,3,…M；j＝1,2,3,…N，表述为：

同时，对应z轴的坐标z_ij表示为：

采用三点辛普生求积公式计算表面微观形貌的高度，具体流程如下：

第一步：从参考点A₀坐标(x₀，y₀，z₀)开始，计算图像水平方向上间隔一个像素点的高度值，计算表达式为：

则，该点的高度表达式为：

第二步：从参考点A₀坐标(x₀，y₀，z₀)开始，计算图像垂直方向上间隔一个像素点的高度值，计算表达式为：

则，该点的高度表达式为：

根据公式(19)和(21)计算与参考点A₀同行列上间隔一个像素点的高度值，然后再以计算的高度值为参考点，计算其余像素点的高度值，实现切削加工表面微观形貌高度的计算，以计算的高度作为加工表面形貌的高度实现加工表面形貌的重建。